[发明专利]用于制造糠醛的方法

说明书

背景

利用生物质(其碳含量是生物来源的而不是化石来源的物质的) 提供目前衍生自化石来源的物质(如石油)的化学品以及燃料产品，或者 提供对这类化学品以及燃料产品的可接受的生物基、功能性替代品，已日 益成为近年来研究与开发投资以及努力的焦点，因为化石来源的物质的供 应已经受到危及或者对其的获取以及使用已是更加困难的或昂贵的。

某些化学品和燃料产品的替换品或替代品已经从生物质中以大 的商品规模进行生产。例如，对于液体燃料产品领域，迄今为止已经从玉 米或其他谷物以及从甘蔗(用于乙醇)以及从各种植物油和脂肪(用于生 物柴油)中以商品规模生产出乙醇和生物柴油(脂肪酸烷基酯类)。

但是，人们早就意识到能够从木质纤维素生物质中制造出合适的 液体燃料和燃料添加剂将是优选的，这些木质纤维素生物质含有典型地 6％或更多的不溶于酸性洗涤剂的木质素(以干重计)并且不用作食物产 品，或者这些木质纤维素生物质可以在不显著不利地影响土地利用方式和 行为(例如，砍伐森林来生产额外的大豆、玉米或类似作物)情况下收割 或采购以及使用。可以考虑具有这个特征的许多非食物木质纤维素生物 质，包括，例如，有目的培育的非食物生物质作物(如草、甜高粱、速生 树)，或更特别地，木材废物(如剪枝、木屑、锯末)以及绿色废物(例 如树叶、草屑、蔬菜以及水果废物)。另外据估计，就已经用于食物作物 或其他目的的耕种的土地而言，所产生的生物质的约四分之三是废物，所 以无论讨论中的生物质是在一种食品作物或某种其他作物(对于这些作 物，土地已经被投入在耕种中)的生产中的废物，还是来自与任何耕种作 物无关的来源，在可获得的丰富的木质纤维素原料的情况下，看起来我们 需要的可以用木质纤维素生物质开始制造的各种化学品和燃料产品事实 上应能够被经济地制造。

作为一个实际的事情，然而，从木质纤维素生物质生产所关注的 各种化学品和燃料产品具有许多重要的挑战。第一个困难来自于包含木质 纤维素生物质的各种组分的非常不同的特征。

在这一点上，如同化石基物质如石油一样，按所需规模并以所需 品质、经济和效率产生需要或将需要的全方位的商业化学品和燃料产品替 换品或替代品的实际的、真实世界的能力在一定程度上取决于原料(木质 纤维素生物质)如何可以被有效地且高效地分馏成其组成部分，以及这些 组成部分又如何可以被有效地且高效地进一步加工来产生所希望的商业 化学品和燃料产品替换品或替代品。

木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素以及木质素部分构 成，其中纤维素是这三种组分中最多的。纤维素衍生自植物的结构组织， 并且由通过1,4位置相连接的β糖苷残基的长链组成。这些连接使纤维素 具有高的结晶性，并且因此对以下的酶或酸催化剂具有低的可及性，即： 这些酶或酸催化剂已经被建议用于将该纤维素水解成C₆糖(或己糖)以 用于进一步加工。相比之下，半纤维素是一种易于水解的非晶态杂聚物， 而木质素(一种芳香族三维聚合物)散布在植物纤维细胞内的纤维素以及 半纤维素之中并且已经提出了用于进一步加工和升级的最重要的挑战。

由于生物质的纤维素、半纤维素以及木质素部分之间的差异，同 样考虑到在各种生物质中以不同程度存在的其他较少的部分，正如Farone 等的美国专利号5,562,777“利用纤维素以及半纤维素物质的强酸水解生 产糖类的方法(MethodofProducingSugarsUsingStrongAcidHydrolysisof CellulosicandHemicellulosicMaterials)”所涉及的，多年来已经开发或 提议了许多方法来分馏木质纤维素生物质并且对纤维素和半纤维素部分 进行水解。

从根本上说，已经披露了生物和非生物两种方法，其中最古老且 最著名的从纤维素生产糖类的非生物方法涉及酸水解，最普遍的是使用稀 酸途径、浓酸途径或两者的组合的基于硫酸的水解。Farone等人的‘777 专利描述了本领域随后已知的多种基于硫酸的方法的优点和缺点，并且提 出了一个进一步变体，该变体使用强酸/硫酸水解作用和使用反复一次或 多次的去结晶步骤组合，其中生物质(和/或包括从一次先前反复内的去 结晶步骤中留下的固形物)与25-90％硫酸溶液混合以增溶一部分的生物 质，随后将这种酸稀释到20％与30％之间，并且将混合物优选地加热至 80和与100摄氏度之间持续一段时间以增溶尚未水解的纤维素部分和任 何半纤维素物质。